探究性學(xué)習(xí)在機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)中的運(yùn)用

現(xiàn)在教育的問題是，缺乏對學(xué)生好奇心的引發(fā)與引導(dǎo)，甚至把學(xué)生的學(xué)習(xí)變成被動(dòng)的、沒有興趣的訓(xùn)練。因此，教師的教學(xué)首先應(yīng)調(diào)動(dòng)起學(xué)生智力活動(dòng)的興趣，最大限度地激發(fā)他們樂于學(xué)習(xí)的激情，鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)問和有奇思異想，創(chuàng)設(shè)問題情境，讓學(xué)生在教師的指導(dǎo)下以解決問題的形式進(jìn)行學(xué)習(xí)，實(shí)行教師與學(xué)生雙向互動(dòng)，探究性學(xué)習(xí)正是基于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力而開展的。筆者將其引入機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)中，在具體實(shí)施及案例設(shè)計(jì)等方面作了探究和嘗試。

探究性學(xué)習(xí)的含義

探究性學(xué)習(xí)是學(xué)生在學(xué)科領(lǐng)域或現(xiàn)實(shí)生活情境中，通過發(fā)現(xiàn)問題、調(diào)查研究、動(dòng)手操作、表達(dá)與交流等探究性活動(dòng)，獲得知識(shí)、技能和態(tài)度的學(xué)習(xí)方式和學(xué)習(xí)過程。

探究性學(xué)習(xí)的幾種類型

國外的研究者將探究性學(xué)習(xí)分為六種類型，即實(shí)驗(yàn)型探究、邏輯推理任務(wù)、基于測量的研究、工程性設(shè)計(jì)、技術(shù)性設(shè)計(jì)和開放性研究。實(shí)驗(yàn)性探究的過程通常分為5個(gè)階段：識(shí)別探究問題、形成假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、收集數(shù)據(jù)和得出結(jié)論。

一些研究者根據(jù)不同階段教師的指導(dǎo)程度，又將探究性學(xué)習(xí)分為：（1）師生協(xié)作探究模式。教師創(chuàng)設(shè)情境，提出問題，為學(xué)生提供探究事實(shí)的條件，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析，通過假設(shè)、探索、歸納等尋找解決問題的途徑與方法，最后得出結(jié)論。（2）自主探究模式。學(xué)生在教師指導(dǎo)幫助下獨(dú)立從事某項(xiàng)課題研究，包括自己提出問題、確定研究課題、獨(dú)立探究，最后提交研究報(bào)告。

在機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)中如何開展探究性學(xué)習(xí)

（1）訓(xùn)練學(xué)生的開放性思維、探索精神，培養(yǎng)學(xué)生的主動(dòng)求知欲望，最大限度地提高學(xué)生的開放性思維能力和主動(dòng)探究精神。

(2)進(jìn)行最基本的科學(xué)探究活動(dòng)的訓(xùn)練，力求創(chuàng)設(shè)生動(dòng)、真實(shí)、多樣的科學(xué)探究和實(shí)踐情境，讓學(xué)生體驗(yàn)探究過程，在豐富多彩的活動(dòng)中培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，努力使每個(gè)學(xué)生在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上得到良好的發(fā)展。

(3)訓(xùn)練學(xué)生多渠道獲取信息的能力，使學(xué)生初步掌握通過互聯(lián)網(wǎng)、圖書館、觀察、實(shí)驗(yàn)、調(diào)查等多種渠道廣泛獲取信息的技能。

(4)培養(yǎng)學(xué)生的表達(dá)能力和合作意識(shí)，使學(xué)生在探究中學(xué)會(huì)表達(dá)和交流，善于與他人合作，從中體驗(yàn)活動(dòng)的樂趣和積極的情感，養(yǎng)成科學(xué)的態(tài)度和價(jià)值觀。

機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)中探究性學(xué)習(xí)的教學(xué)設(shè)計(jì)

1.選擇學(xué)習(xí)的內(nèi)容。以“關(guān)于平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算時(shí)局部自由度及虛構(gòu)問題的研究”為例：(1)該內(nèi)容是平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算時(shí)的關(guān)鍵點(diǎn)，如果未能正確考慮，將會(huì)發(fā)生計(jì)算結(jié)果的錯(cuò)誤，但是學(xué)生實(shí)際在學(xué)習(xí)時(shí)，該內(nèi)容又是難點(diǎn)，老師單純理論介紹往往導(dǎo)致學(xué)生不理解，而學(xué)好該內(nèi)容對提高學(xué)生的理解能力和設(shè)計(jì)思維能力具有重要的價(jià)值。

(2)確定該內(nèi)容為研究課題時(shí)，學(xué)生已通過推導(dǎo)得出了平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算公式為F=3n(2PL+PH)，機(jī)構(gòu)具有確定的相對運(yùn)動(dòng)的必要條件為：機(jī)構(gòu)自由度F大于零，并且主動(dòng)構(gòu)件數(shù)與機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)相等。該課題適合學(xué)生進(jìn)行進(jìn)一步的研究性學(xué)習(xí)。

2.確定探究性學(xué)習(xí)的類型。本次探究性學(xué)習(xí)的類型是實(shí)驗(yàn)性探究和邏輯推理任務(wù)相結(jié)合。

3.確定教學(xué)組織形式。根據(jù)本課題的活動(dòng)內(nèi)容，教學(xué)組織形式采取師生協(xié)作探究模式。

4.教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)。局部自由度：①課前準(zhǔn)備。此活動(dòng)老師課前至少應(yīng)準(zhǔn)備兩組同樣的凸輪機(jī)構(gòu)。②引出問題。

a)從最簡單的對心滾子移動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算（如右圖一）開始，讓學(xué)生用先前推導(dǎo)的公式計(jì)算該機(jī)構(gòu)的自由度。學(xué)生分析后得出可動(dòng)構(gòu)件n=3，低副數(shù)PL=3，PH=1，機(jī)構(gòu)自由度F=3n(2PL+PH)=3×（2× +1）=2。

根據(jù)機(jī)構(gòu)具有確定的相對運(yùn)動(dòng)的條件得出結(jié)論：原動(dòng)件數(shù)目W必須為2，該機(jī)構(gòu)才會(huì)有確定的相對運(yùn)動(dòng)。

b)展示兩個(gè)實(shí)際的對心滾子移動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)，讓原動(dòng)件只有一個(gè)構(gòu)件即凸輪，讓學(xué)生觀察凸輪，作為原動(dòng)件時(shí)，從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)是否確定。最后得出結(jié)論：原動(dòng)件數(shù)目w=1時(shí)，該機(jī)構(gòu)有確定的相對運(yùn)動(dòng)。

c)老師提出問題：為什么理論和實(shí)際不相符呢？

③引導(dǎo)觀察并分析：

a)觀察滾子轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢對從動(dòng)件的影響。此時(shí)，讓學(xué)生在老師的提示下，增加其中一個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)滾子鉸鏈處的摩擦，請兩個(gè)學(xué)生到前面，配合老師口令，以基本同樣的節(jié)奏讓凸輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，其他同學(xué)觀察此時(shí)滾子轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢和從動(dòng)件上升、下降及靜止的關(guān)系。最后一致得出結(jié)論：滾子轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢，對其他構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)無影響。

b)觀察滾子不動(dòng)時(shí)對從動(dòng)件的影響。將其中一個(gè)凸輪滾子鉸鏈外摩擦繼續(xù)增大，使?jié)L子相對從動(dòng)桿件靜止，將兩組凸輪機(jī)構(gòu)重復(fù)a）中步驟。最后得出結(jié)論：滾子不動(dòng)時(shí)對其他構(gòu)件運(yùn)動(dòng)也無影響。

④得出結(jié)論：

（1）根據(jù)3中a）b）得出：滾子的局部運(yùn)動(dòng)，不影響其他構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)，這種局部運(yùn)動(dòng)的自由度稱為局部自由度。

（2）老師此時(shí)即水到渠成地歸納出自由度計(jì)算時(shí)對局部自由度的處理方法：將滾子看作與從動(dòng)件焊為一體。（如右圖二）讓學(xué)生重新進(jìn)行整個(gè)機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算：F=3n(2PL+PH)=3×（2×+1）=1，理論和實(shí)際吻合。

⑤提出新的問題：既然滾子的轉(zhuǎn)動(dòng)對整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)無影響，那么為什么不去掉呢？

⑥老師適當(dāng)提示：如果將滾子換成尖頂或平底呢？

⑦得出新的結(jié)論（學(xué)生充分表達(dá)和交流）：使用滾子的目的是為了減少高副元素的磨損，延長凸輪的使用壽命，控制成本等，至此學(xué)生不但對局部自由度有了較深刻的認(rèn)識(shí)，而且初步學(xué)會(huì)了對機(jī)械原理的探索方法。

5.引申性教學(xué)活動(dòng)。“關(guān)于虛約束問題的討論”

按照上述步驟以橢圓規(guī)機(jī)構(gòu)為例子來嘗試使用探究性方法進(jìn)行討論。計(jì)算圖三所示機(jī)構(gòu)（橢圓規(guī)）的自由度。其中AB=CB=DB。

由圖知該機(jī)構(gòu)有4個(gè)活動(dòng)件，有4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，2個(gè)移動(dòng)副、一個(gè)原動(dòng)件。自由度F=1時(shí)，其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)確定。如按實(shí)際構(gòu)件數(shù)計(jì)算自由度，F(xiàn)=3×2×=0。按這一結(jié)果，機(jī)構(gòu)不能動(dòng)，與實(shí)際不符，因其中含有一個(gè)虛約束。因AB=CB=DB，桿2上B、C、D點(diǎn)已定，桿2上C點(diǎn)和D點(diǎn)的軌跡也已定，滑塊3或滑塊4中必有一處是虛約束。如若以滑塊4來分析，滑塊4上D點(diǎn)的約束不起作用，因?yàn)槿サ鬌處滑塊移動(dòng)副的約束，D點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡仍會(huì)沿導(dǎo)路方向移動(dòng)。因此，滑快4是虛約束。在計(jì)算自由度時(shí)，應(yīng)把滑快4及其運(yùn)動(dòng)副除去不計(jì)。則機(jī)構(gòu)自由度：F=3n(2PL+PH)=3×2×0=1=原動(dòng)件數(shù)，故機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)確定。

本教學(xué)設(shè)計(jì)通過學(xué)生的計(jì)算、實(shí)驗(yàn)、觀察、思考、討論及老師的適當(dāng)指導(dǎo)，使學(xué)生一步步學(xué)會(huì)解決問題的能力，將枯燥無味的聽講轉(zhuǎn)化為主動(dòng)尋找問題的答案，進(jìn)一步發(fā)展實(shí)踐能力，從而促進(jìn)他們創(chuàng)造性的學(xué)習(xí)。

參考文獻(xiàn):

[1]吳宗澤主編.機(jī)械設(shè)計(jì).北京:清華大學(xué)出版社，2001.

[2]張建中主編.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ).第2版.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2002.

作者單位:江蘇省泰州電大泰興分校